Electrical brain stimulation and human insular connectivity

par Talal Almashaikhi

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Philippe Ryvlin.

Soutenue le 27-09-2013

à Lyon 1 , dans le cadre de École Doctorale Neurosciences et Cognition (NSCo) , en partenariat avec Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon (équipe de recherche) et de Centre de recherche en neurosciences de Lyon (laboratoire) .

Le président du jury était Patrick Mertens.

Le jury était composé de Marc Guénot.

Les rapporteurs étaient Pierre Thomas, Edouard Hirsch.

  • Titre traduit

    La stimulation électrique du cerveau humain et la connectivité insulaire


  • Résumé

    Le cortex insulaire est le cinquième lobe du cerveau en charge de l'intégration de nombreuses fonctions cognitives, sous-tendues par une organisation cytoarchitectonique etune connectivité aussi riche que complexe. Ce travail vise à évaluer la connectivité fonctionnelle insulaire du cerveau humain par le biais de stimulation électrique intra-cérébrale et de potentiels évoqués cortico-corticaux (PECC) réalisés chez des patients explorés en stéréoélectroencéphalographie (SEEG) pour une épilepsie partielle réfractaire. Nous avons développé un protocole automatisé permettant destimuler successivement l’ensemble des bipoles d’enregistrement intracérébraux (deux plots contigus d’une même électrode) disponibles chez les patients explorés en SEEG. Deux sériesde 20 stimulations monophasiques d’une durée unitaire de 1 ms et d’une intentisté de 1 mA, étaient délivrés à une fréquence de 0,2 Hz au niveau de chaque bipole (105 en moyenne,produisant un total d’environ 11.000 PECC par patient). Un premier travail a consisté dans lamise au point d’une méthode fiable d’analyse statistique objective des PECC significatifs, encomplement de l’analyse visuelle, sur un échantillon de 33017 enregistrements chez trois patients. L’analyse a porté sur les quatre fenêtres temporelles post-stimulation suivantes: 10-100 ms, 100-300 ms, 300-500 ms, 500-1000 ms. La seconde partie de notre thèse a appliquéces méthodes à l’étude des connections intra-insulaires sur un échantillon de10 patients présentant au moins deux éléctrodes intra-insulaires. La dernière partie de notre travail s’est intéressé aux efférences insulaires sur un échantillon de 11 patients. L’étude des PECC apporte des éléments de connectivité fonctionnelle derésolution spatiale et temporelle inégalée, complémentaires de ceux découlant des techniquesde neuroimagerie. La gestion complexe du volume de données à gérer pour chaque patientpeut être résolu par des procédures d’analyse statistiques automatisée de sensibilité etspécificité satisfaisante. Le pattern des connections intra- et extra-insulaires révélé par cetteapproche permet une meilleure compréhension de la physiologie de l’insula chez l’Homme etdes modalités de propagations des décharges épileptiques impliquant ce lobe.


  • Résumé

    The insular cortex is the fifth lobe of the brain and is in charge of the integration of many cognitive functions, underpinned by a rich cytoarchitectonic organization and a complex connectivity. Our work aims to evaluate the insular functional connectivity of the human brain using intracerebral electrical stimulation and recording of cortico-cortical evoked potentials (CCEPs) in patients investigated with stereoelectroencephalography (SEEG) for refractory partial epilepsy. We first developed an automated protocol to stimulate successively all intracerebral recorded bipoles (two contiguous leads of the same electrode) available in patients undergoing SEEG. Two sets of 20 monophasic stimulation of 1 ms duration and 1mA intensity were delivered at a frequency of 0.2 Hz at each bipole (105 on average, producing a total of about 11,000 recordings per patient). We then develop a reliable and objective statistical method to detect significant CCEPs as a complement to visual analysis, and validate this approach on a sample of 33017 recordings in three patients. The analysis was performed over four distinct post-stimulus epochs: 10-100 ms, 100-300 ms, 300-500 ms, 500-1000 ms. In the second part of our thesis, we applied these methods to the study of intrainsular connections on a sample of 10 patients with at least two intra-insular electrodes. The last part of our work used the same approach to investigate insular efferents in a sample of 11 patients. The study of CCEPs provides novel and important findings regarding the human brain functional connectivity, with unmatched spatial and temporal resolutions as compared to neuroimaging techniques. The complex management of large volume of data in each patient can be solved by automated statistical analysis procedures with satisfactory sensitivity and specificity. The pattern of connections within and outside the insula revealed by this approach provides a better understanding of the physiology of the Human insula as well as of the propagation of epileptic discharges involving this lobe.


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